CN101426165A - 扬声器单体结构 - Google Patents

Abstract

在此提出一种扬声器单体结构，包括单一驻极体振膜结构、具多个开孔的单一金属电极与边框支撑体。此驻极体振膜结构在一例子中是由驻极体振膜层、极薄金属薄膜电极以及绝缘层堆迭而成，其中此极薄金属薄膜电极位于驻极体振膜层以及绝缘层之间。在另一例子中，驻极体振膜结构是由驻极体振膜层与具有氧化导电材料的导电电极层所组成。而边框支撑体位于驻极体振膜结构与金属电极之间，形成用以作为驻极体振膜结构振动的空间，以产生声音。

Description

扬声器单体结构

技术领域

本发明是有关于一种扬声器单体的结构，且特别是有关于一种利用振膜驻电量设计的扬声器单体结构。

背景技术

现今视觉与听觉是人类最直接的两种感官反应，因此长久以来，科学家们极力发展各种可再生视觉与听觉的相关系统。而随着近年来人们对于感官品质的日益要求，以及3C产品(Computer，Communication，ConsumerElectronics)在追求短小、轻薄的前提下，一种省电、轻薄、可依人体工学需求设计的扬声器(Loudspeakers)，不管是搭配大尺寸的平面扬声器，还是小到随身听的耳机，立体声的手机，在可以预见的未来，此方面的技术将有大量的需要与应用的发展。

电声扬声器的驱动方式，大致上可分为动圈式(Dynamic)、压电式(Piezoelectric)及静电式(Electrostatic)三种。目前动圈式扬声器使用最广，技术也最成熟，不过由于其先天架构的缺点，无法使其体积扁平化，因此在面对3C产品轻薄化及家庭剧院扁平化的需求下，动圈式扬声器将无法符合市场趋势。

压电式扬声器利用电压材料的压电效应，通过电场对压电材料所造成材料变形的特性，推动震动膜发声，此扬声器虽然结构扁平微小化，但缺点是失真大而且不稳定，亦难满足现代人听觉享受的品质标准。

静电式扬声器目前的市场主要为顶级(Hi-End)的耳机和喇叭，传统静电式扬声器的作用原理是将两片开孔的固定电极板挟持导电振膜形成一种电容器，通过供给振膜直流偏压以及给予两个固定电极音频的交流电压，利用正负电场所发生的静电力，带动导电振膜振动并将声音辐射出去。传统静电式扬声器的偏压须达上百-上千伏特，因此需要外接高单价及庞大体积的扩大机，是其无法普及的原因。

关于静电式扬声器，如美国第3,894,199号专利，主要是揭露一种电声转换器(Electroacoustic Transducer)结构，如图1所示，包括置于两侧的固定电极(Fixed Electrodes)结构110与120。此固定电极结构110与120具有多个孔洞可散布所产生的声音。而一振膜(Vibrating Film)130则配置在固定电极结构110与120之间。而固定结构140则为绝缘材料所构成，并用以固定所述的固定电极结构110、120以及振膜130。固定电极结构110与120分别经由变压器150连接到一交流电压源160。当交流信号传送到固定电极结构110与120时，电位将会交替地改变而使振膜130受到两侧电位的差异产生震动，藉以产生对应的声音。然而，上述配置的方式需增强声压输出，因此需格外的功率元件配合驱动，如此一来，不但装置体积庞大，且使用元件较多，成本亦较高。另外，由于固定结构140必须固定所述的固定电极结构110、120以及振膜130，因此，这样的电声转换器结构无法达到可挠曲的特性。

发明内容

本发明提供一种扬声器单体结构，解决习知技术于提高声压功率时，扬声器结构及驱动电路过于复杂、振膜结构中金属薄膜电极因氧化影响音源信号输入、以及产品运用设计多样化的问题。本发明的扬声器单体其构造简单、可搭配现有技术及工艺，实适用于大量生产。

在一实施例中，本发明所提出的扬声器单体结构，包括单一驻极体振膜结构、具多个开孔的单一金属电极与边框支撑体所组成。此驻极体振膜结构包括单一驻极体振膜层、一金属薄膜电极以及一绝缘层堆迭而成，其中金属薄膜电极位于驻极体振膜层以及绝缘层之间。而边框支撑体位于驻极体振膜结构与金属电极之间，形成用以作为驻极体振膜结构振动的空间。

上述扬声器单体结构实施例中还包括多个支撑体，配置在驻极体振膜结构与金属电极之间，用以支撑驻极体振膜结构与金属电极之间的距离。

上述扬声器单体结构实施例中，驻极体振膜结构、金属电极与边框支撑体，采用具有可挠曲与透明特性的材料所组成，以使扬声器单体结构具有可挠曲的特性。

在一实施例中，本发明所提出的扬声器单体结构，包括单一驻极体振膜结构、具有多个开孔的金属电极与边框支撑体。此驻极体振膜结构是由驻极体振膜层与由氧化物材质所组成的导电电极层所组成，其中导电电极层位于驻极体振膜层的一侧面。而边框支撑体，位于驻极体振膜结构与金属电极之间，用以形成作为驻极体振膜结构振动的空间。

上述扬声器单体结构实施例中还包括多个支撑体，配置在驻极体振膜结构与金属电极之间，用以支撑驻极体振膜结构与金属电极之间的距离。

上述扬声器单体结构实施例中，驻极体振膜结构、金属电极与边框支撑体，采用具有可挠曲与透明特性的材料所组成，以使扬声器单体结构具有可挠曲的特性。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1是习知的一种扬声器单体的示意图。

图2是依照本发明的实施例的一种扬声器单体结构的示意图。

图3是依照本发明的实施例的另一种扬声器单体结构的示意图。

主要元件符号说明

110、120：固定电极(Fixed Electrodes)结构

130：振膜(Vibrating Film)

140：固定结构

150：变压器

160：交流电压源

200：扬声器单体结构

210：驻极体振膜结构

212：驻极体振膜层

214：金属薄膜电极

216：绝缘层

218：氧化导电层

220：金属电极

230：边框支撑体

240：支撑体

260：具有透气防水的薄膜

具体实施方式

本发明提供一种扬声器单体结构，解决习知技术于提高声压功率时，扬声器结构及驱动电路过于复杂、振膜结构中金属薄膜电极因氧化影响音源信号输入、以及产品运用设计多样化的问题。本发明的扬声器单体其构造简单、可搭配现有技术及工艺，实适用于大量生产。

本发明提出一种扬声器结构，运用驻极体(Electret)材料内部的电荷特性及静电力效应，当驻极体振膜受到外部电压刺激，将于振膜表面产生变形，进而驱动振膜周遭的空气产生声音。通过静电力公式及能量定律得知振膜受力为整体扬声器的电容值乘上内部电场大小及外部输入声音电压信号，而若驻极体振膜受力越大，则输出声音越大。

根据库伦定律，两带电物体的电荷乘积正比于相互作用.的静电力，反比于两物的距离平方；两电荷若同为正或负时，其物体受互斥静电力，电荷一正一负时其物体受相吸静电力。

本发明提出具有毫微米或纳微米等级纳米孔的驻极体振膜的扬声器单体，其结构为一个具多个开孔的单片金属电极与一个带电荷的驻极体振膜结构。此驻极体振膜结构是由驻极体振膜层、极薄金属电极层所组成的导电电极与一绝缘层所组成。在另外一实施例中，此驻极体振膜结构亦可由一驻极体振膜层与一由本身为氧化物的导电电极层组成。当驻极体振膜结构是由极薄金属电极层与绝缘层所组成时，必须在此绝缘层上预留一开孔，以便连接信号。

上述具多个开孔的单片金属电极可以是由金属材质所组成，在一实施例中，也可以经由具有弹性的材料，例如纸张或是极薄的非导电材料，镀上一层金属薄膜所完成。

而前述具多个开孔的金属电极与驻极体振膜结构的导电电极，分别受来自音源信号的正、负电压。依库伦定律，此驻极体振膜层，将同时受到一个吸引的和一个排斥的静电力作用，振膜单位面积受静电力公式可由(式1)表示。

$P=\frac{{2V}_{\mathrm{in}}{V}_e{\mathrm{\ϵ}}_0(\frac{1}{S_a}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_e}{S_e}){\mathrm{\ϵ}}_e{S}_e}{{(S_e+{\mathrm{\ϵ}}_e{S}_a)}^2}$             --(式1)

其中真空电容率ε_o＝8.85*10-12F/m，驻极体介电常数ε_e，驻极体厚度Se，空气层厚度S_a，输入信号电压V_in，驻极体电压V_e，振膜单位受力P。由(式1)可知，静电力正比于偏压与音讯电压的乘积，反比于具多个开孔的金属电极与驻极体振膜结构间的距离。因此，若在相同的距离下，静电式扬声器能提供高驻电，即可以相对较低的音讯交流电压达到所需的静电力。

本发明利用具有毫微米或纳微米的驻极体振膜层材料，可提供数百伏特以上的驻电量，依据前述静电力公式，音讯电压可降低至十数伏特，因而提高本发明的扬声器的实用性。

上述驻极体振膜结构的导电电极，若是采用金属电极，为了不影响驻极体振膜层的张力与振动的效果，可以是一种极薄的金属薄膜电极，在此所界定的“极薄”为厚度介于约0.02mm到0.8mm(毫米，micrometer)之间，较佳范围为0.02毫米到0.4毫米，在一实施例中厚度约为0.3mm。考量此极薄金属薄膜电极曝露于空气中使用，将氧化形成完全绝缘体，进而影响到音源信号的输入，可于制作驻极体一面金属薄膜电极后，接续制作一绝缘层于金属薄膜电极上(预留一音源信号输入端)。

上述驻极体振膜结构的导电电极，若是采用本身为氧化导电的材料，则可以采用具有透光导电的材料，例如铟锡氧化物(Indium Tin Oxide，ITO)、铟锌氧化物(Indium Zinc Oxide，IZO)、铝锌氧化物(Aluminum Zinc Oxide，AZO)等等其中之一。

本发明的扬声器单体的材料，可采用可挠曲的材质、并可采用透明材质的材料，增加运用设计的多样化，进而形成软性可挠式扬声器。

本发明因采用具有微米或纳微米孔的驻极体振膜材料的扬声器单体结构，因此，驱动扬声器单体的音讯电压可降低数伏至数十伏特，而提高本发明的扬声器的实用性。且因针对金属薄膜电极氧化问题加以处理，因此音源信号输入将不致因此受到影响。并通过扬声器单体材料的选用，可提高扬声器单体运用设计的弹性。

另外，本发明所提出扬声器单体结构，其结构为单片金属电极与单片带电荷的驻极体振膜结构，因此，具有构造简单、可搭配现有技术及工艺，实适用于大量生产。

在此针对本发明所提出扬声器单体结构，以一具体实施例说明。请参考图2所示，此扬声器单体结构200包含驻极体振膜结构210、具多个开孔的金属电极220、边框支撑体230以及介于金属电极220与驻极体振膜结构210之间的多个支撑体240。此驻极体振膜结构210包括驻极体振膜层212、金属薄膜电极214与绝缘层216，其中，驻极体振膜层212的一侧面212a与边框支撑体230以及支撑体240连接，而另一侧面212b则与上述金属薄膜电极214电性连接。而金属薄膜电极214面对驻极体振膜层212侧面212b的另外一面则形成上述的绝缘层216。

上述具多个开孔的金属电极220可以是由金属材质所组成，在一实施例中，也可以经由具有弹性的材料，例如纸张或是极薄的非导电材料，镀上一层金属薄膜所完成。

驻极体振膜层212的材料可选择介电材料(Dielectric Materials)。而此介电材料经电化(Electrized)处理而能长期保有静电荷(Static Charges)，而经充电后在材料内部可产生驻电效果，因此可称为驻极体振膜层。此驻极体振膜层212可为单层或多层介电材料所制成的振膜，而所述介电材料可为例如氟化乙烯丙烯共聚物(FEP，fluorinated ethylenepropylene)、聚四氟乙烯(PTFE，polytetrafluoethylene)、聚氟亚乙烯(PVDF，polyvinylidene fluride)、部分含氟高分子聚合物(Fluorine Polymer)及其他适当材料等等，而此介电材料内部包含微米或纳微米孔径的孔洞。由于驻极体振膜为介电材料经过电化处理后，而能长期保有静电荷及压电性的振膜，并可使内部包含纳微米孔洞以增加透光度及压电特性，经电晕充电后在材料内部产生双极性电荷(DipolarCharges)而产生驻电效果。

上述的金属薄膜电极214为了不影响驻极体振膜结构210的张力与振动的效果，可以是一种极薄的金属薄膜电极，在此所界定的“极薄”为厚度介于约0.2mm到0.80mm之间，在一较佳实施例中厚度约为0.2um到0.4um之间，可选择约0.3mm。另外，在金属薄膜电极214的对外侧面形成上述的绝缘层216的原因，是因为若是让极薄的金属薄膜电极214曝露于空气中使用，会产生氧化的问题，而影响到扬声器单体的品质。因此，在制作金属薄膜电极214之后，接续制作绝缘层216于此金属薄膜电极214上，但须预留音源信号250的输入位置。

以驻极体振膜层212注满负电荷为例说明。当输入的音源信号250分别连接到具多个开孔的金属电极220与金属薄膜电极214。当输入的音源信号250为正电压时，与扬声器单体上驻极体振膜的负电荷产生吸引力，而音源信号250为负电压时，与单体上正电荷产生排斥力，因此造成驻极体振膜结构210运动方向，如图2所示的振膜受力方向252所示。

反的，当音源信号250电压相位输入改变时，同样因为正电压与扬声器单体上驻极体振膜的负电荷产生吸引力，而负电压与单体上正电荷产生排斥力，驻极体振膜结构210运动方向将相反。当驻极体振膜100通过向着不同运动的方向运动时，因压缩周围空气而产生声音输出。

上述本实施例中的扬声器单体结构，在材料上的选择，特别是驻极体振膜结构210、具多个开孔的金属电极220与边框支撑体230，可采用可挠曲的材质、并可采用透明材质的材料，增加运用设计的多样化，进而形成软性可挠式扬声器。

上述本实施例中的扬声器单体结构200，在图示中金属电极220与支撑体240两者的高度与边框支撑体230虽然具有相同的高度，但是在不同实施例中，可根据设计上的需要调整金属电极220与边框支撑体230的高度，而支撑体240的高度也可根据需要调整，在此并非用以限制本实施例。

上述本实施例中的扬声器单体结构200，在其周围一侧或两侧可使用具有透气防水的薄膜260包覆，例如材质包括ePTFE(膨体聚四氟乙烯)材料的GORE-TEX薄膜等等，可防水氧的影响，造成驻极体振膜层212所具有的电荷泄漏而影响其驻电效果。

本发明所提出扬声器单体结构的另一具体实施例，请参考图3所示，与图2相同部分使用相同的标号表示。图3所示的扬声器单体结构300，包含驻极体振膜结构210、具多个开孔的金属电极220、边框支撑体230以及介于金属电极220与驻极体振膜结构210之间的多个支撑体240。此驻极体振膜结构210包括驻极体振膜层212与氧化导电层218。驻极体振膜层212的一侧面212a与边框支撑体230以及支撑体240连接，而另一侧面212b则与上述氧化导电层218电性连接。

与图2不同的部分在于图2的金属薄膜电极214，在图3中以氧化导电层218取代。而此氧化导电层218的材料，可以是例如铟锡氧化物(Indium TinOxide，ITO)、铟锌氧化物(Indium Zinc Oxide，IZO)、铝锌氧化物(AluminumZinc Oxide，AZO)等等其中之一。

综上所述，本发明可解决习知静电式扬声器电路及结构过于复杂的问题，亦可避免金属薄膜电极因氧化影响音源信号输入，并具有因应设计变化的弹性，可符合软性电子的趋势需求。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (27)

1.一种扬声器单体结构，其特征包括：

驻极体振膜结构，由驻极体振膜层、金属薄膜电极以及绝缘层堆迭而成，其中该金属薄膜电极位于该驻极体振膜层的一第一侧面以及该绝缘层之间；

具多个开孔的金属电极；以及

边框支撑体，位于该驻极体振膜结构与该金属电极之间，其中该驻极体振膜层的一第二侧面是面对该边框支撑体，而该第一侧面与该第二侧面位于该驻极体振膜层的对应两侧，其中该边框支撑体在该驻极体振膜结构与该金属电极之间形成用以作为该驻极体振膜结构振动的一空间。

2.如权利要求1所述的扬声器单体结构，其中该驻极体振膜层是由具有多个奈微米孔洞的材料所组成。

3.如权利要求1所述的扬声器单体结构，其中该驻极体振膜层是由具有多个微米孔洞的材料所组成。

4.如权利要求1所述的扬声器单体结构，其中该驻极体振膜层是由具有驻电特性的材料所组成。

5.如权利要求4所述的扬声器单体结构，其中该驻极体振膜层的材料是由介电材料所组成。

6.如权利要求5所述的扬声器单体结构，其中该介电材料是选自包括氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氟亚乙烯(PVDF)、部分含氟高分子聚合物(Fluorine Polymer)其中一种或其组合。

7.如权利要求1所述的扬声器单体结构，其中该金属薄膜电极的厚度介于0.02毫米到0.8毫米之间。

8.如权利要求1所述的扬声器单体结构，其中该金属薄膜电极的厚度介于0.02毫米到0.4毫米之间。

9.如权利要求1所述的扬声器单体结构，其中该绝缘层具有一孔洞，用以作为一音源信号连接至该金属薄膜电极的位置。

10.如权利要求1所述的扬声器单体结构，其中还包括多个支撑体，配置在该驻极体振膜结构与该金属电极之间，用以支撑该驻极体振膜结构与该金属电极之间的距离。

11.如权利要求1所述的扬声器单体结构，其中该驻极体振膜结构、该金属电极与该边框支撑体采用具有可挠曲与透明特性的材料所组成，以使该扬声器单体结构具有可挠曲的特性。

12.如权利要求1所述的扬声器单体结构，其中还包括一薄膜，用以包覆该驻极体振膜结构与该金属电极，其中该薄膜为具有透气防水的材料所组成。

13.如权利要求12所述的扬声器单体结构，其中具有透气防水的该材料包括膨体聚四氟乙烯(ePTFE)材料。

14.如权利要求1所述的扬声器单体结构，其中该具多个开孔的金属电极是由一金属材料层所组成。

15.如权利要求1所述的扬声器单体结构，其中该具多个开孔的金属电极为一纸张，在其上电镀一层金属材料层所组成。

16.一种扬声器单体结构，其特征包括：

驻极体振膜结构，由驻极体振膜层与由氧化物材质所组成的导电电极层所组成，其中该导电电极层位于该驻极体振膜层的一第一侧面；

具多个开孔的金属电极；以及

边框支撑体，位于该驻极体振膜结构与该金属电极之间，其中该驻极体振膜层的一第二侧面是面对该边框支撑体，而该第一侧面与该第二侧面位于该驻极体振膜层的对应两侧，其中该边框支撑体在该驻极体振膜结构与该金属电极之间形成用以作为该驻极体振膜结构振动的一空间。

17.如权利要求16所述的扬声器单体结构，其中该驻极体振膜层是由具有多个奈微米孔洞的材料所组成。

18.如权利要求16所述的扬声器单体结构，其中该驻极体振膜层是由具有多个微米孔洞的材料所组成。

19.如权利要求16所述的扬声器单体结构，其中该驻极体振膜层是由具有驻电特性的材料所组成。

20.如权利要求19所述的扬声器单体结构，其中该驻极体振膜层的材料是由介电材料所组成。

21.如权利要求20所述的扬声器单体结构，其中该介电材料是选自包括氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氟亚乙烯(PVDF)、部分含氟高分子聚合物(Fluorine Polymer)其中一种或其组合。

22.如权利要求16所述的扬声器单体结构，其中还包括多个支撑体，配置在该驻极体振膜结构与该金属电极之间，用以支撑该驻极体振膜结构与该金属电极之间的距离。

23.如权利要求16所述的扬声器单体结构，其中该驻极体振膜结构、该金属电极与该边框支撑体，采用具有可挠曲与透明特性的材料所组成，以使该扬声器单体结构具有可挠曲的特性。

24.如权利要求16所述的扬声器单体结构，其中由氧化物材质所组成的该导电电极层是由具有透明且具有导电特性的氧化材料所组成。

25.如权利要求24所述的扬声器单体结构，其中该导电电极层的组成材料是选自铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)或铝锌氧化物(AZO)其中之一或其组合。

26.如权利要求16所述的扬声器单体结构，其中还包括一薄膜，用以包覆该驻极体振膜结构与该金属电极，其中该薄膜为具有透气防水的材料所组成。

27.如权利要求26所述的扬声器单体结构，其中具有透气防水的该材料包括膨体聚四氟乙烯(ePTFE)材料。

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